一種大型凍土直剪儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土木工程設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種大型凍土直剪儀。
【背景技術(shù)】
[0002]地球上多年凍土、季節(jié)凍土和瞬時(shí)(短暫)凍土區(qū)的面積約占陸地面積的70%，其中多年凍土面積占陸地面積的20%.我國的多年凍土面積占國土面積的21.5%，在全世界占第三位，季節(jié)凍土區(qū)約占國土面積的53.5%，其中高海拔多年凍土面積居世界之最。隨著西部大開發(fā)的來臨，國家投資在青藏高原凍土地區(qū)建設(shè)包括青藏鐵路在內(nèi)的多項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目；而青藏高原地區(qū)是我國強(qiáng)震多發(fā)區(qū)之一，僅1980年以來在該地區(qū)就有14次6.0?6.9級(jí)地震，2次7.0?8.5級(jí)地震發(fā)生。特別是2001年11月14日昆侖山口西8.1級(jí)地震在凍土區(qū)形成了規(guī)模宏大的地表形變，并對(duì)震區(qū)鐵路、公路、地下管線、通信等工程設(shè)施造成了一定破壞。
[0003]目前，國內(nèi)外進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)所采用的直剪儀一般都是由上、下剪切盒、垂直力加載系統(tǒng)、水平力加載系統(tǒng)、測定垂直向和水平向位移裝置、以及提供反力的裝置等部分組成，不能在等剛度、等法向力、法向力為零的條件下，進(jìn)行往復(fù)剪切，測定凍結(jié)力與變形的強(qiáng)度、殘余凍結(jié)力等參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種大型凍土直剪儀，旨在解決現(xiàn)有的凍土直剪儀不能在等剛度、等法向力、法向力為零的條件下，進(jìn)行往復(fù)剪切，測定凍結(jié)力與變形的強(qiáng)度、殘余凍結(jié)力等參數(shù)的問題。
[0005]本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種大型凍土直剪儀包括X向伺服電機(jī)、減速機(jī)、升降機(jī)、拉壓力傳感器、螺桿、手輪、稱重傳感器、法向載荷傳感器、移動(dòng)支架、壓力板、位移傳感器、滾動(dòng)膜片氣缸、擋土板、土樣盒、導(dǎo)軌、機(jī)架、壓縮彈簧、氣壓控制單元、Y向伺服電機(jī)；
[0006]攝像頭安裝在機(jī)架的右側(cè)，機(jī)架安裝在大型凍土直剪儀的最底部，往復(fù)剪切推動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X向伺服電機(jī)、Y向伺服電機(jī)、減速機(jī)和升降機(jī)，升降機(jī)側(cè)方安裝拉壓力傳感器，X向伺服電機(jī)和Y向伺服電機(jī)通過減速機(jī)減速，推動(dòng)升降機(jī)前進(jìn)或后退，達(dá)到無級(jí)變速；所述的滾動(dòng)膜片氣缸下方安裝移動(dòng)支架和法向載荷傳感器，移動(dòng)支架下方安裝壓縮彈簧，壓縮彈簧底部連接壓力板，壓力板下方安裝土樣盒，土樣盒側(cè)方安裝有位移傳感器，壓力板上安裝有擋土板，擋土板通過螺母提起，擋土板上安裝有螺桿，螺桿頂部安裝有手輪和稱重傳感器。
[0007]進(jìn)一步，所述的往復(fù)剪切推動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X向伺服電機(jī)、Y向伺服電機(jī)、減速機(jī)和升降機(jī)，所述的X向伺服電機(jī)和Y向伺服電機(jī)分別與一臺(tái)減速機(jī)連接，每臺(tái)減速機(jī)分別與一臺(tái)升降機(jī)連接。
[0008]進(jìn)一步，所述的土樣盒上方安裝有對(duì)接觸面破壞狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和測量的攝像頭。
[0009]進(jìn)一步，土樣盒有效尺寸為100*200，黃銅材料制作，土樣盒壁厚為30mm，保溫層厚度為40mm，其中冷卻管道的直徑為12mm，分布在5個(gè)面上，土樣盒的推動(dòng)頭、導(dǎo)向軌道、土樣盒的防翹固定頭與土樣盒為一體，保溫層采用聚氨酯發(fā)泡整體灌注成型。
[0010]本發(fā)明可以在等剛度、等法向力、法向力為零的條件下，進(jìn)行X向和Y向的二維往復(fù)剪切，測定凍結(jié)力與變形的強(qiáng)度、殘余凍結(jié)力等參數(shù)，還可以通過攝像頭對(duì)接觸面破壞狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和測量。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的大型凍土直剪儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的大型凍土直剪儀的側(cè)視圖；
[0013]圖中:1、X向伺服電機(jī)；2、減速機(jī)；3、升降機(jī)；4、拉壓力傳感器；5、螺桿；6、手輪；7、稱重傳感器；8、法向載荷傳感器；9、移動(dòng)支架；10、壓力板；11、位移傳感器；12、滾動(dòng)膜片氣缸；13、擋土板；14、土樣盒；15、導(dǎo)軌；16、機(jī)架；17、壓縮彈簧；18、Y向伺服電機(jī)；19、攝像頭。
【具體實(shí)施方式】
[0014]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0015]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步描述。
[0016]圖1和圖2示出了本發(fā)明的大型凍土直剪儀的結(jié)構(gòu)，如圖所示，本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種大型凍土直剪儀包括X向伺服電機(jī)1、減速機(jī)2、升降機(jī)3、拉壓力傳感器4、螺桿5、手輪6、稱重傳感器7、法向載荷傳感器8、移動(dòng)支架9、壓力板10、位移傳感器11、滾動(dòng)膜片氣缸12、擋土板13、土樣盒14、導(dǎo)軌15、機(jī)架16、壓縮彈簧17、Υ向伺服電機(jī)18、攝像頭19 ；
[0017]機(jī)架16安裝在大型凍土直剪儀的最底部，往復(fù)剪切推動(dòng)機(jī)構(gòu)包括1.1KW伺服電機(jī)1、1:15減速比蝸輪蝸桿減速機(jī)2和推動(dòng)速比1:24升降機(jī)3，升降機(jī)3側(cè)方安裝拉壓力傳感器4，X向伺服電機(jī)I和Y向伺服電機(jī)18通過減速機(jī)2減速，推動(dòng)升降機(jī)3前進(jìn)或后退，達(dá)到無級(jí)變速；
[0018]氣壓控制單元與滾動(dòng)膜片氣缸12連接，氣壓控制單元以電氣比例閥為控制器，輸出調(diào)制的氣體壓力，提供靜音的壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣包和過濾器。4個(gè)滾動(dòng)膜片氣缸12下方安裝移動(dòng)支架9和4個(gè)法向載荷傳感器8，移動(dòng)支架9下方安裝壓縮彈簧17，壓縮彈簧17底部連接壓力板10，壓力板10下方安裝土樣盒14，土樣盒14側(cè)方安裝有I個(gè)位移傳感器11，壓力板10上安裝有擋土板13，擋土板13可通過螺母提起，擋土板13上安裝有螺桿5，螺桿5頂部安裝有手輪6和稱重I個(gè)傳感器7。
[0019]所述的往復(fù)剪切推動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X向伺服電機(jī)1、Y向伺服電機(jī)18、減速機(jī)2和升降機(jī)3，所述的X向伺服電機(jī)I和Y向伺服電機(jī)18分別與一臺(tái)減速機(jī)2連接，每臺(tái)減速機(jī)2分別與一臺(tái)升降機(jī)3連接。
[0020]進(jìn)一步，所述的土樣盒14上方安裝有對(duì)接觸面破壞狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和測量的攝像頭19。
[0021]進(jìn)一步，土樣盒14有效尺寸為100*200，黃銅材料制作，土樣盒14壁厚為30mm，保溫層厚度為40臟，其中冷卻管道的直徑為12臟，分布在5個(gè)面上，土樣盒14的推動(dòng)頭、導(dǎo)軌15、土樣盒14的防翹固定頭與土樣盒14為一體，保溫層采用聚氨酯發(fā)泡整體灌注成型，防翹機(jī)構(gòu)，保證剪切過程中土樣盒14上翹，并且摩擦力為滾動(dòng)摩擦力。
[0022]本發(fā)明的工作原理如下:
[0023]法向力由四個(gè)滾動(dòng)摩膜片氣缸12提供，氣缸的面積為80cm2，四個(gè)法向載荷傳感器8測量法向力作為控制等剛度、等應(yīng)力的參數(shù)；試樣板的沉降位移由兩個(gè)位移傳感器11測量；彈性系數(shù)為250kg/cm的四個(gè)壓縮彈簧17提供等剛度控制。
[0024]剪切框架保證足夠的剛度和強(qiáng)度，內(nèi)框兩側(cè)面加工的平行度達(dá)到滾輪滑動(dòng)時(shí)上下自如、不偏移等要求。
[0025]擋土板13在不凍結(jié)前可以上下滑動(dòng)，在凍結(jié)后，可以使用螺母將擋板提起，進(jìn)行剪切試驗(yàn)。
[0026]為了保證在零法向力是固結(jié)或剪切，設(shè)置了載荷傳感器，克服壓板、彈簧等構(gòu)件的重量，在裝樣時(shí)能夠提供足夠的空間。
[0027]整套控制和采集軟件，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以以Excel格式輸出，試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)相關(guān)曲線。
[0028]本發(fā)明可提供的最大法向力為20kN(lMPa);出力精度:±1% ;法向最大行程:20mm ;最大水平剪切力:100kN(5MPa);剪切速率:l-20mm/min，剪切幅度20mm(即一個(gè)剪切周期40mm)，循環(huán)次數(shù)20次；剪切速度誤差:±3% ;常剛度法向邊界的剛度有三個(gè):800kg/cm(4根彈簧)，1200kg/cm(6根彈簧),1600kg/cm(8根彈簧)。每根彈簧的勁度系數(shù)為200kg/cm，試驗(yàn)時(shí)彈簧的壓縮量為20_。常應(yīng)力控制方式:能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制的恒定法向應(yīng)力，如法向應(yīng)力50kPa、100kPa、200kPa或400kPa，控制精度:±1% ;法向恒定位移控制，如1mm、2mm、3mm或4mm ;溫控系統(tǒng):最低溫度_20°C，試驗(yàn)溫度區(qū)間為0°C?_15°C，試驗(yàn)擬采用溫度為0°C、_5°C、-10°C, _15°C，溫度控制精度為±0.30C ;接觸面粗糙度Ra =
0.3mm、0.7mm、lmm、l.5mm或3mm ;能夠?qū)蓚€(gè)法向位移傳感器11、四個(gè)法向荷載傳感器、6個(gè)溫度傳感器、剪切位移傳感器11、剪切力載荷傳感器數(shù)據(jù)采集，測量精度±1% ;
[0029]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種大型凍土直剪儀，其特征在于，所述的大型凍土直剪儀包括X向伺服電機(jī)、減速機(jī)、升降機(jī)、拉壓力傳感器、螺桿、手輪、稱重傳感器、法向載荷傳感器、移動(dòng)支架、壓力板、位移傳感器、滾動(dòng)膜片氣缸、擋土板、土樣盒、導(dǎo)軌、機(jī)架、壓縮彈簧、氣壓控制單元、Y向伺服電機(jī)； 攝像頭安裝在機(jī)架的右側(cè)，機(jī)架安裝在大型凍土直剪儀的最底部，往復(fù)剪切推動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X向伺服電機(jī)、Y向伺服電機(jī)、減速機(jī)和升降機(jī)，升降機(jī)側(cè)方安裝拉壓力傳感器，X向伺服電機(jī)和Y向伺服電機(jī)通過減速機(jī)減速，推動(dòng)升降機(jī)前進(jìn)或后退，達(dá)到無級(jí)變速；所述的滾動(dòng)膜片氣缸下方安裝移動(dòng)支架和法向載荷傳感器，移動(dòng)支架下方安裝壓縮彈簧，壓縮彈簧底部連接壓力板，壓力板下方安裝土樣盒，土樣盒側(cè)方安裝有位移傳感器，壓力板上安裝有擋土板，擋土板通過螺母提起，擋土板上安裝有螺桿，螺桿頂部安裝有手輪和稱重傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的大型凍土直剪儀，其特征在于，所述的往復(fù)剪切推動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X向伺服電機(jī)、Y向伺服電機(jī)、減速機(jī)和升降機(jī)，X向伺服電機(jī)和Y向伺服電機(jī)分別與一臺(tái)減速機(jī)連接，每臺(tái)減速機(jī)分別與一臺(tái)升降機(jī)連接。
3.如權(quán)利要求1所述的大型凍土直剪儀，其特征在于，所述的土樣盒上方安裝有對(duì)接觸面破壞狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和測量的攝像頭。
4.如權(quán)利要求1所述的大型凍土直剪儀，其特征在于，土樣盒有效尺寸為100*200，黃銅材料制作，土樣盒壁厚為30mm，保溫層厚度為40mm，其中冷卻管道的直徑為12mm，分布在5個(gè)面上，土樣盒的推動(dòng)頭、導(dǎo)向軌道、土樣盒的防翹固定頭與土樣盒為一體，保溫層采用聚氨酯發(fā)泡整體灌注成型。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大型凍土直剪儀，升降機(jī)側(cè)方安裝拉壓力傳感器，X向伺服電機(jī)和Y向伺服電機(jī)通過減速機(jī)推動(dòng)升降機(jī)前進(jìn)或后退，滾動(dòng)膜片氣缸下方安裝移動(dòng)支架和法向載荷傳感器，移動(dòng)支架下方安裝壓縮彈簧，壓縮彈簧底部連接壓力板，壓力板下方安裝土樣盒，土樣盒側(cè)方安裝位移傳感器，壓力板上安裝擋土板。本發(fā)明可以在等剛度、等法向力、法向力為零的條件下，進(jìn)行二維往復(fù)剪切，測定凍結(jié)力與變形的強(qiáng)度、殘余凍結(jié)力等參數(shù)，可以通過攝像頭對(duì)接觸面破壞狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和測量。
【IPC分類】G01N3-24
【公開號(hào)】CN104792627
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510049924
【發(fā)明人】趙聯(lián)楨, 曾翔, 馮欣蕊, 肖天崟, 胡俊, 胡偉, 劉金燦, 陳浩森, 陳云, 姜寶石
【申請(qǐng)人】海南大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年1月31日